Finders, keepers: search and rescue robots evolve

Camminando sulle rovine della città montana italiana di Amatrice dopo il violento terremoto del 2016, la dottoressa Ivana Kruiff-Korbayova ha avvistato una piccola scarpa rossa. “Quasi nulla è rimasto in piedi”, ricorda. “E dietro l’angolo c’erano uva e pomodori che maturavano in un piccolo giardino – ma era rimasto qualcuno a raccoglierli?”

Come capo del gruppo talking robots al DFKI, il Centro di ricerca tedesco per l’intelligenza artificiale, era stata chiamata a breve termine per usare la sua tecnologia sperimentale di robot per aiutare sulla scia del terremoto, che ha devastato una linea di città e villaggi sulle colline dell’Italia centrale, uccidendo 295 persone e lasciando 4.000 senzatetto. Amatrice, “il tipo di villaggio pittoresco dove andavi in vacanza”, è stata la più colpita, e metà degli edifici per lo più storici della città è crollata. Intere strade attraverso le colline italiane erano cadute e le strade erano irriconoscibili.

Kruiff-Korbayova e i suoi colleghi ricercatori hanno iniziato a lavorare con i vigili del fuoco italiani una settimana dopo il terremoto, “quando la speranza di trovare altri sopravvissuti era svanita”, e i servizi di emergenza avevano disperatamente bisogno di sapere quali strutture erano sicure. Due chiese medievali erano traballanti ma ancora in piedi tra le macerie, e il team che lavora al progetto TRADR sostenuto dall’UE (per robot-assisted disaster response) ha viaggiato da tutta Europa per assistere. Quando gli edifici sono danneggiati, potrebbero crollare in modi diversi, rovesciando lateralmente o pancake-piatto-e un recce dettagliato aiuta gli esperti a fare un piano.

Entrare non è stato facile, ma i robot a terra del team sono stati in grado di attraversare le macerie per entrare nella chiesa fuori dalla vista del loro operatore e vagare per l’interno, prendendo immagini, che il team ha usato per costruire modelli 3D dettagliati degli edifici esistenti. “Erano pesantemente danneggiati, pareti incrinate, soffitto crollato e polvere e macerie ovunque.”

I droni completavano l’immagine con un feed live dei robot terrestri e di un altro drone che entrava nella chiesa. “Non l’avevamo mai fatto prima”, dice Kruiff-Korbayova. “Avevamo usato più robot contemporaneamente, ma mai in una collaborazione di squadra così stretta-è stato un successo incredibile.”

Ogni anno i disastri naturali uccidono circa 90.000 persone e colpiscono quasi 160 milioni di persone in tutto il mondo. Dopo i disastri, le squadre di ricerca e soccorso sanno che è fondamentale trovare i sopravvissuti il prima possibile: più lungo è il ritardo, più vite vengono perse.

“Se credi di poter salvare vite umane, rischierai di più”, afferma Andy Elliott, consulente privato del fuoco. Dopo un incendio, gli edifici sono fragili, danneggiati dall’acqua e inclini al collasso. Ci possono essere gas vivo ed elettricità all’interno, o materiali pericolosi come l’acetilene in spazi ristretti. “Hai bisogno di valutazioni accurate del rischio”, dice. “Gli edifici danneggiati sono luoghi pericolosi.”

Molti vigili del fuoco del Regno Unito già utilizzano droni per monitorare gli eventi, dice Elliott. Droni relè l’impatto dei disastri naturali, troppo-lo scorso agosto, le immagini aeree hanno mostrato la devastazione delle Bahamas dopo l’uragano Dorian.

Nell’aprile 2019, i droni dotati di telecamere hanno trasmesso dettagli in tempo reale sulle fiamme che hanno attanagliato la Cattedrale di Notre Dame a Parigi, con informazioni cruciali su quanto intenso fosse l’incendio e su come si stesse diffondendo. Un robot telecomandato chiamato Colossus spruzzò acqua all’interno della struttura gotica, risparmiando i vigili del fuoco dal rischio di far cadere le travi. Muovendosi ad un massimo di 1m / s, il robot, realizzato da Shark Robotics, trasportava una telecamera con visione ad alta definizione a tutto tondo e immagini termiche e un cannone ad acqua motorizzato.

Ottenere i robot in una zona disastrata per colpire a terra non è un’impresa da poco. Quando sei un robot, il mondo è pieno di ostacoli.

I droni sono frequentemente utilizzati dai servizi di emergenza, ma lottano per volare in spazi ristretti, non possono trasportare molto e sono limitati dalla durata della batteria. I robot terrestri combattono con scale, macerie e aperture delle porte.

“I serpenti robot sono un modo per risolvere il problema degli spazi ristretti”, afferma la dott. ssa Emma Rushforth, direttore di Warwick Mobile Robotics presso l’Università di Warwick, “ma sono incredibilmente complessi da creare.”

I suoi studenti di robotica conoscono bene i pericoli delle zone disastrate e stanno perfezionando un bot cingolato dotato di un braccio robotico, con l’obiettivo di trovare sopravvissuti tra le macerie delle zone disastrate. Il loro robot può salire cordoli e scale e viaggiare attraverso il fango. I suoi progettisti metteranno alla prova la sua abilità alla RoboCup Rescue League, un evento internazionale di robotica in cui i robot di ricerca e soccorso affrontano alcuni scenari difficili. “Anno dopo anno cerchiamo di migliorare, ma le difficoltà sono immense.”

È difficile guidare qualcosa che non puoi vedere;” non è come un giocattolo di Natale”, dice Rushforth. Gli operatori si affidano a immagini trasmesse dal robot, che richiede un segnale ragionevole – e che non è sempre possibile attraverso macerie spesse o sotto terra. “Stai spingendo i limiti di durata della batteria e capacità meccanica – semplicemente alimentando il calcolo necessario per fare le cose autonome intelligenti è una sfida,” lei dice.

Mentre i robot si sono avventurati nel film all’interno della disastrata centrale giapponese di Fukushima Daiichi, danneggiata dallo tsunami del 2011, le radiazioni distruggono il segnale. Ma tirando un cavo di comunicazione attraverso una zona disastrata è irto di difficoltà troppo, lei dice. I progressi in batterie, motori e materiali aiuteranno a perfezionare i robot di ricerca e soccorso per renderli eventualmente adatti allo scopo.

Tuttavia, alcuni dei maggiori problemi arrivano quando i robot incontrano l’acqua. Il professor Auke Ijspeert ne è ben consapevole. È responsabile del laboratorio di biorobotica dell’EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) in Svizzera ed esperto di neuroscienze computazionali e machine learning.

Per otto anni, Ijspeert e i suoi colleghi hanno costruito un robot anfibio ispirato al mondo naturale. E dopo aver studiato l’andatura ambulante e il movimento di nuoto di una salamandra, il suo team ha creato algoritmi che imitano la natura in forma di robot, utilizzandoli per progettare il ‘pleurobot’ – una creazione segmentata straordinariamente complessa con “un piccolo micro controllo in ogni segmento quindi non c’è un singolo punto di fallimento”, dice Ijspeert. “È molto robusto.”E pleurobot cammina e nuota stranamente come la cosa reale-anche se richiede una tuta asciutta su misura. “Renderlo impermeabile, antipolvere e robusto è una sfida, così come trovare il giusto compromesso tra dimensioni e peso.”

Ijspeert accompagna le squadre svizzere di ricerca e soccorso in esercitazioni regolari nei loro realistici campi di addestramento, completi di edifici in rovina, per cercare di capire di cosa hanno bisogno gli equipaggi di emergenza nella foga del momento. “Non vogliamo sostituire una squadra di soccorso, ma completarla quando è troppo pericolosa per gli esseri umani o i cani”, dice.

I robot possono raccogliere dati per costruire mappe 3D dettagliate, utilizzare telecamere a infrarossi per cercare sopravvissuti, persino collegamenti di trasporto per la comunicazione bidirezionale. “I nostri robot hanno una capacità di carico utile in modo da poter trasportare acqua e medicine”, afferma Ijspeert.

Mentre il pleurobot è più di uno sforzo accademico, alcuni dei colleghi di robotica di Ijspeert presso il Laboratorio di sistemi intelligenti di EPFL sono impegnati a sviluppare applicazioni pratiche.

‘In futuro, vogliamo aiutare una squadra di soccorso ad essere più veloce, più sicura ed efficiente – potenzialmente con una flotta di robot per esplorare molte cose contemporaneamente.’

Come ogni professionista di ricerca e soccorso vi dirà, macerie e strette stringe ostacolano la ricerca di sopravvissuti. Ispirato da uccelli che spremere attraverso spazi ristretti piegando le ali, roboticists a EPFL e Università di Zurigo hanno costruito un drone “pieghevole” – un quadcopter che può cambiare forma per passare attraverso strette fessure. Ciò gli consente di manovrare in spazi ristretti. Quattro bracci, dotati di quattro eliche, possono muoversi indipendentemente e un sistema di controllo regola la spinta mentre il baricentro si sposta in modo che il drone rimanga stabile. In futuro, il team spera che sarà ancora più adattabile e dotato di sufficiente autonomia per rispondere a istruzioni come “entrare in quell’edificio, ispezionare ogni stanza, quindi tornare”.

Addestrare l’equipaggio di emergenza a utilizzare i droni è un ulteriore problema per i servizi, e gli scienziati dell’EPFL stanno studiando la fattibilità di una tuta aptica – una “giacca da mosca” –che consentirebbe all’operatore di “pilotare” fisicamente il drone con movimenti del corpo e braccia rotanti, con occhiali collegati a una telecamera di bordo, lasciando le mani libere per individuare le aree di interesse, possibilmente con l’aiuto di guanti di dati.

Un’altra brillante idea proveniente dai laboratori svizzeri sono i piccoli droni in grado di spostare oggetti più di 40 volte il loro peso, utilizzando argani e tecnologie di presa ispirate a gechi e piedi di insetti. Lavorando insieme, questi robot micro tirando potrebbero lazo una maniglia della porta per tirare aprire una porta. O un drone ispirato alle ali degli insetti-costruito per rimanere rigido durante il volo, ma in grado di flettere in caso di collisione, limitando così qualsiasi danno.

Alcuni progetti sono spudoratamente sperimentali, dice Ijspeert, ma stanno affrontando le domande importanti, come quanta autonomia dare a una flotta di robot volanti, quale consapevolezza situazionale richiedono e come un essere umano interagisce meglio con loro, così come come affrontare un seminterrato allagato o un pavimento crollato.

” In futuro, vogliamo aiutare una squadra di soccorso ad essere più veloce, più sicura ed efficiente – potenzialmente con una flotta di robot per esplorare molte cose contemporaneamente.”

Mentre i robot stanno raggiungendo luoghi che gli umani non possono, non sono ancora all’altezza dei cani da salvataggio. “La scienza ha una lunga strada da percorrere per recuperare il ritardo”, dice Robin Furniss, gestore di cani da fuoco e salvataggio dell’Hampshire, i cui cani sono stati portati al lavoro in mezzo ai terremoti nepalesi e giapponesi. “I vigili del fuoco hanno una tecnologia massiccia che li supporta, ma i cani sono ancora la prima chiamata preferita.”I suoi cani sono stati usati per annusare i sopravvissuti quando la centrale elettrica Didcot in disuso è crollata nel 2016, e intorno alle scogliere cadute nel Dorset nel 2012, e molti altri incidenti.

“I cani possono cercare in pochi minuti ciò che richiederebbe una squadra di vigili del fuoco giorni”, dice. “Il loro senso dell’olfatto è fenomenale – possono rilevare mezzo cucchiaino di zucchero sciolto in una piscina olimpionica.”Gli scienziati stanno cominciando a sperimentare con l’utilizzo di cani per trasportare robot in un luogo di disastro-Furniss equipaggiato i suoi cani con trasmettitori per alimentare i segnali dal vivo, anche se la trasmissione attraverso macerie era problematico.

Dopo aver visto i servizi di emergenza in azione, Ijspeert ei suoi colleghi sono ottimisti, ma realistici. “Nella comunità robotica possiamo essere abbastanza ingenui. E dobbiamo essere umili di fronte alle cose incredibili che vengono realizzate dalla comunità di salvataggio – li aiuteremo, ma non li sostituiremo mai.”